基本信息
- 項目名稱：
- 燃料電池用多嵌段型質子交換膜
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 燃料電池是新一代的發(fā)電技術，質子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，而質子交換膜是其核心部件之一。本小組運用多嵌段共聚工藝,以分子剛性差異性較大且價格低廉的單體為主鏈剛性調控單元，制備了一種新型的主鏈剛柔性可控的嵌段型聚芳醚砜質子交換膜。通過增加親水部分剛性和疏水部分柔性，形成了納米級親水-疏水微相分離結構，提高了膜的質子傳導率、機械性能和穩(wěn)定性，可以成為一種理想的質子交換膜材料。
- 詳細介紹：
- 燃料電池是繼核能發(fā)電之后的新一代發(fā)電技術，質子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，而質子交換膜是其核心部件之一。本小組運用多嵌段共聚工藝,以分子剛性差異性較大的單體為主鏈剛性調控單元（其中，六氟雙酚A為柔性單元、雙酚芴為剛性單元）,制備了一種新型的主鏈剛柔性可控的嵌段型聚芳醚砜質子交換膜。通過增加親水部分剛性和疏水部分柔性，形成了納米級親水-疏水微相分離結構，提高了質子傳導率，同時也提高了質子交換膜的機械性能和穩(wěn)定性。同無規(guī)共聚物相比，在相同離子交換容量(IEC)的情況下，嵌段共聚物在低水合的狀態(tài)下會具有更高的質子傳導率；同時由于低溶脹性非磺化鏈段的存在，既限制了親水鏈段的溶脹，降低了甲醇的滲透；又具有良好的機械性能和穩(wěn)定性。本作品采用的原料均為工業(yè)用化工原料，便宜易得，從而大大降低了質子交換膜的制備成本，其合成的膜成本為每平方米60元左右，僅為商業(yè)化全氟型Nafion112膜（DuPont公司）的市場價格的1.5%左右。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計目的：開發(fā)具有高質子傳導率、高穩(wěn)定性及低成本的碳氫系質子交換膜材料，以滿足質子交換膜燃料電池（PEMFC）的要求，特別適用于可移動設備的PEMFC電源系統(tǒng)?；舅悸罚翰捎霉I(yè)級原料，通過控制聚合物的主鏈剛柔性、運用嵌段聚合工藝和溶液澆鑄法實現(xiàn)高質子傳導率、高穩(wěn)定性及低成本的碳氫系質子交換膜的制備。創(chuàng)新點：1）采用嵌段共聚工藝合成了一種主鏈剛柔性可控的嵌段型磺化聚芳醚砜（SPAES），并以此為原料通過溶液澆鑄法制備了SPAES質子交換膜；2）采用的原料如六氟雙酚A、雙酚芴和4,4’-二氟二苯砜均為來源廣泛的工業(yè)級化工原料，3,3’-二磺酸鈉-4,4’-二氟二苯砜可通過常規(guī)的磺化工藝獲取，制備的質子交換膜成本僅為商業(yè)化的Nafion112市場價格的1.5%。技術關鍵：1）通過多嵌段的手段實現(xiàn)了對聚合物主鏈的剛柔性控制；2）應用溶液澆鑄法制膜，形成厚度可控的致密薄膜。主要技術指標：120℃，50%相對濕度時，質子傳導率為225mS/cm；130℃、500小時水中加速老化實驗后保持較高機械強度，失重率小于5%；成本每平方米60元左右。
科學性、先進性
- 本作品的科學性先進性以及技術上的突出表現(xiàn)為： 1）本作品運用多嵌段共聚工藝，以分子剛柔性、差異性較大的單體為主鏈剛柔性調控單元（其中六氟雙酚A為柔性單元、雙酚芴為剛性單元），通過兩步合成法，制備了一種新型的主鏈剛柔性可控的多嵌段型聚芳醚砜質子交換膜。通過增加親水部分的剛性以及疏水部分的柔性，使得所制備的質子交換膜既形成了納米級親水-疏水微相分離結構，提高了質子傳導率，同時也提高了質子交換膜的機械性能和穩(wěn)定性。 2）本作品采用的原料均為便宜易得的工業(yè)用化工原料，制備的膜每平方米成本為60元左右，僅為商業(yè)化全氟型Nafion112膜（DuPont公司）市場價格的1.5%左右。 3）本作品的質子傳導率在120℃、相對濕度(RH)為50%的條件下達到225mS/cm，滿足美國能源部(DOE)2004-2015年研究規(guī)劃中大于100mS/cm的要求；同時在130℃水中的加速老化壽命超過500小時，實際適用溫度條件下預計可達10000小時（80℃）。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ■實物、產(chǎn)品 ■現(xiàn)場演示 ■圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：按照使用要求將裁成合適尺寸和形狀的質子交換膜置于催化電極之間組成膜-電極三合一組件（MEA），組裝成電池，在兩側通入燃料和氧化劑即可輸出電流。本作品技術特點及優(yōu)勢：1）采用分子剛柔性差異性較大的單體并結合多嵌段聚合工藝，可有效地控制聚合物主鏈的剛柔性及親水磺酸基團的排列和分布，使得澆鑄制備的質子交換膜易形成親水-疏水微相分離結構，有利于提高膜材料的綜合性能； 2）所選用的原料均已商業(yè)化且價格便宜，大大降低了生產(chǎn)成本。使用范圍及推廣前景：1）與國內(nèi)外相關產(chǎn)品相比性價比較高，更適合中國國情；2）可廣泛應用于中低溫快速啟動的、以甲醇或氫氣為燃料的便攜式設備電源、可移動動力電源，也可應用于大中型家庭熱電聯(lián)用裝置；3）可用于電滲析、氯堿化工、離子交換及超純水制備等領域。 經(jīng)濟效益分析和預測：采用的材料為價格低廉的工業(yè)級無氟材料，合成工藝成熟簡單，合成的膜每平方米的成本為60元左右，僅為商業(yè)化全氟膜（DuPont，Nafion 112膜）市場價格的1.5%。
同類課題研究水平概述
- 質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術是新能源技術的重要組成部分之一。質子交換膜（PEM）是PEMFC的核心部件之一，對電池的性能、成本及壽命有決定性作用。由于商業(yè)化的含氟類PEM材料制備工藝復雜、成本高且使用溫度低，開發(fā)高性價比的碳氫系PEM是當前的研究熱點。其中磺化聚芳醚砜（SPAES）以原料來源廣泛、工藝成熟、機械性能好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點成為PEM材料的候選者之一。 Ueda等（Macromolecules. 23: 926-930）采用帶有二磺化的4,4’-二氯二苯砜（DSDCPS）與雙酚A聚合首先制備了SPAES。McGrath研究組是最早研究SPAES的團隊之一，采用直接聚合的方式，實現(xiàn)了聚合物的離子交換容量和磺酸基排列的精確控制，避免了后磺化方法中降解和交聯(lián)問題。他們還通過嵌段共聚的方式制備了一系列呈現(xiàn)納米級親水-疏水微相分離結構的SPAES膜（Polymer. 47: 4132–4139），表現(xiàn)出更高的質子傳導率和各向異性的溶脹性能。Watanabe等（J. Am. Chem. Soc.. 129: 3879-3887）通過改變非磺化二酚單體的結構來研究SPAES的結構-性能關系，表明膜的吸水率、質子傳導率對聚合物分子結構依賴性高。劉惠玲等（J. Appl. Polym. Sci.. 114: 304–312）制備了離子交換容量為2.01meq/g的SPAES，顯示了比Nafion112更高的質子傳導率和更小的甲醇透過率。那輝等（J. Membr. Sci.. 285: 239–248）研究了SPAES中不同二酚結構的影響，發(fā)現(xiàn)異丁基二氫醌容易形成親水性通道，顯示了更高的質子傳導率。謝曉峰等（J. Membr. Sci.. 2009, 335: 13–20）利用含有可聚合的二乙烯基團的二酚單體，通過乙烯基的聚合交聯(lián)作用，制備了交聯(lián)型SPAES，膜材料顯示了較小的尺寸變化率和甲醇透過率。為改善SPAES的質子傳導率及穩(wěn)定性，目前采用的主要方式有：嵌段共聚、交聯(lián)、共混改性和納米材料摻雜等。因此，我們采用嵌段共聚的方式來促進質子交換膜中納米級親水-疏水微相分離結構的形成，并選擇合適的單體來控制聚合物分子主鏈的剛柔性以提高膜的穩(wěn)定性和質子傳導率。且采用價廉易得的工業(yè)級原料，制備的質子交換膜材料性價比高，將有良好的應用前景和經(jīng)濟效益。
